Элементы ориентирования снимка реферат

Обновлено: 04.07.2024

Различают элементы внутреннего и внешнего ориентирования снимка.

Элементы внутреннего ориентирования определяют положение центра проекции S относительно снимка. Ими являются координаты точки S в пространственной системе координат снимка (рис.а). Поскольку проекцией точки S на плоскости снимка является главная точка о, то их плановые координаты хи^в системе координат снимка совпадают, аппликатой точки S является расстояние So, т. е. фокусное расстояние АФА/ Таким образом, элементами внутреннего ориентирования снимка являются координаты главной точки снимка хь, уо и фокусное расстояние АФА / Эти элементы почти всегда известны с высокой точностью и записаны в паспорте АФА. Например,/= 100,020 мм; xq = -0,012 мм; у₀ = +0,023 мм.

Элементы внутреннего ориентирования снимка формируют связку проектирующих лучей, существовавшую при съемке. Ее положение в пространстве определяют элементы внешнего ориентирования снимка. Их шесть. Это три линейных элемента — гео- координаты центра проекции S (X_s, Y_s, Z_s) и три угловых элемента наклона и поворота снимка :

альфе — продольный угол наклона снимка (угол между осью Z и проекцией главного луча на плоскость XZ);

тета — поперечный угол наклона снимка (угол между главным лучом и проекцией главного луча на плоскость XZ);

капа — угол поворота снимка (угол на снимке между осью у и следом сечения плоскости снимка с плоскостью, построенной на главном луче и оси Y).

В аналитической фотограмметрии горизонтальным снимком называют снимок, все три угла наклона и поворота которого равны нулю, т. е. а = со = ае = 0.

Следует заметить, что для всех снимков, полученных данным АФА, элементы внутреннего ориентирования можно считать постоянными известными величинами. Однако элементы внешнего ориентирования у каждого снимка свои и, как правило, неизвестны.

Задачу по определению геодезических координат точки местности по измеренным координатам ее изображения на снимке называют прямой фотограмметрической засечкой.( рисунок в лекции, он такой же как и выше)

Для установления связей между точками объекта и их фотографическими изображениями используются пространственные и плоские системы координат. Если картографируемый участок захватывает больше, чем 1 зону может использоваться геоцентрическая система координат (рис.5).

В ней за начало координат принят центр общеземного эллипсоида О'_г, а плоскостью X'_г Y'_гявляется плоскость экватора. Ось X'_г находится в плоскости начального меридиана, а осьZ'_г совмещена с полярной осью О'_г Р. Система координат правая. За фигуру Земли принимается эллипсоид вращения с полуосями а и b и сжатием е. Любая точка Опространства задаётся геодезическими координатами: широтой В, долготой L и высотой Н. Геоцентрические координаты X'_г, Y'_г, Z'_г точки О находят по их геодезическим координатам, с помощью известных формул сфероидической геодезии.

Может использоваться и прямоугольная система координат X"г Y"г Z"г, представленная на рис.5. Она сохраняет все преимущества геоцентрической системы, но абсолютные значения координат точек в ней меньше. Ось Z"г нормальна к поверхности эллипсоида в начальной точке О картографируемого участка; ось Y"г совпадает с направлением на север. Система координат правая. За начало счёта высот принимается такое значение, при котором аппликаты всех точек положительны. Координаты X"г, Y"г, Z"г, легко получаются из геоцентрических X'г, Y'г, Z'г путём трёхмерного преобразования, включающего перенос начала координат и их вращение.

При решении задач на сравнительно небольшом участке местности используется известная левая система прямоугольных координат O
_г X_г Y_г Z_г (рис.6) Гаусса.

На практике часто находит применение местная система пространственных прямоугольных координат Xг Yг Zг с началом в некоторой точке А картографируемого участка (рис.6). В этой системе ось Zг нормальна к поверхности квазигеоида в точке А, ось Xг горизонтальна и параллельна осевому меридиану зоны, в которой находится участок съёмки, а ось Yг направлена на восток. Координаты начала задаются в системе Ог Xг Yг Zг.

На каждом снимке по его периметру имеется ряд координатных меток, которые определяют плоскую прямоугольную систему координат o' x y. Такая система при наличии на снимке четырёх меток 1, 2, 3, 4 показана на рис. 7. Начало координат находится в точке о' пересечение отрезков 1-2 и 3-4. Ось x совмещается с прямой 1-2, а ось y с перпендикуляром к оси x в точке о'. Возможны и другие варианты. Например, ось y – это главная вертикаль, а ось x - одна из горизонталей и т. д. Отметим, что на наземных снимках оси обозначают буквами x и z, а координаты в системе координат снимка иногда называют фотокоординатами.

Положение точка на снимке определяется координатами x и y, но это можно сделать и в пространственной фотограмметрической системе X'Y'Z' (рис.8). Начало координат этой системы всегда совмещено с точкой фотографирования S, а оси X', Y', Z' параллельны осям X, Y, Z фотограмметрической системы координат точек объекта местности или осям геодезической системы координат.

Связи между плоскими и пространственными координатами точек снимка и местности устанавливаются через элементы ориентирования снимка.

39)
Элементами ориентирования снимка называются величины, определяющие его положение в момент фотографирования относительно выбранной пространственной прямоугольной системы координат. Различают элементы внутреннего и внешнего ориентирования снимка.

Элементы внутреннего ориентирования позволяют найти положение центра проекции относительно снимка, а значит восстановить связку проектирующих лучей, существовавшую в момент фотографирования. К ним относятся координаты главной точки x₀, y₀ снимка и фокусное расстояние f фотокамеры (рис.9).

Элементы внешнего ориентирования (ЭВО) позволяют установить положение снимка (связки), которое она занимала в момент фотографирования относительно заданной пространственной прямоугольной системы координат. Для снимков, полученных АФА, на практике используют две таких системы.

В первую систему ЭВО (рис. 10) входят координаты Xs, Ys, Zs точки фотографирования, а также углы поворота снимка α, ω и κ

Продольный угол наклона снимка α образуется осью Z΄ и проекцией главного луча Sо на плоскость X΄ Z΄.

Поперечный угол наклона снимка ω заключён между главным лучом Sо и его проекцией на плоскость X΄ Z΄.

Угол поворота снимка κ образуют ось у снимка и след плоскости, проходящей через главный луч Sо и ось Y΄ (в этой плоскости находится угол ω).

На рис. 10 углы κ и ω положительные, угол α - отрицательный.

Вторая система (рис.11) ЭВО содержит:

координаты Xs, Ys, Zs точки фотографирования;

t – дирекционный угол оптической оси фотокамеры – он образуется следом плоскости главного вертикала W и положительным направлением оси X΄;

ε - угол наклона снимка, находится в плоскости главного вертикала между главным и надирным лучами;

κ – угол поворота в плоскости снимка, образуется главной вертикалью и осью y плоской системы координат x y.

40)

41)

Зависимость между координатами горизонтального и наклонного снимков можно отметить с помощью строгих и простых соотношений. Их можно написать, если начало координат на снимке и на местности совместить с точкой нулевых искажений с:

Из зависимостей между координатами горизонтального и наклонного снимков можно сделать вывод:

Это означает, что если наклонный снимок совместить с горизонтальным, вращением его вокруг линии неискаженных масштабов (рис. 13.) то соответствующие точки окажутся на одном луче, проходящем через точку нулевых искажений c.

Величина смещений точек за наклон снимка будет равна:

Смещение возможно как в сторону точки нулевых искажений, при jÎ(0°, 180°), так и в противоположную сторону. Максимально оно на главной вертикали (φравно 90° или 270°). На линии неискаженных масштабов точки за наклон не смещаются.

Величину максимального смещения точек можно оценивать по приближенной формуле:

Оно приводит к ошибкам в определении по снимкам направлений, расстояний и площадей.

Рельеф местности также вызывает смещение точек, причем по направлениям проходящим через точку надира n, в которую сходятся изображения отвесных прямых. То есть, если h - превышение точки А над точкой В, расположенной в плоскости предмета, и отрезок АВ отвесный, то точка а на снимке сместится относительно точки b на величину ab = δr_h (рис. 14). При h > 0 смещение происходит от точки надира, когда h ¢ . Модель при этом не разрушится, но изменится ее масштаб. Расстояние b_п между центрами проекций двух связок, по которым построена модель, называется базисом проектирования.

Ее масштаб вычисляется по формуле:

Взаимное ориентирование снимков стереопары это установка их в положение, при котором любая пара соответственных лучей пересекается, то есть обеспечивается построение модели. Величины, определяющие такое положение снимков, называются элементами взаимного ориентирования (ЭвзО).

На практике выполнение условия пересечения соответственных лучей достигается поворотом обоих снимков или поворотами и смещениями только одного из них при неподвижном положении второго. В соответствии с этим различают две системы элементов взаимного ориентирования. В первой неподвижными считают базис фотографирования и главную базисную плоскость левого снимка; во второй – левый снимок.

Первая система элементов. Начало системы координат S₁X₁'Y₁'Z₁'– в центре проекции S₁ левого снимка Р₁ (рис. 21). Ось X₁' совмещена с базисом фотографирования, а ось Z₁' установлена в главной базисной плоскости левого снимка. Система координат S₂X₂'Y₂'Z₂' параллельна системе координат S₁X₁'Y₁'Z₁'.

Элементами взаимного ориентирования являются:

- угол в главной базисной плоскости левого снимка между осью Z₁' и главным лучом связки;

- угол на левом снимке между осью y₁ и следом плоскости ;

- угол в главной базисной плоскости левого снимка между осью Z₂' и проекцией главного луча правой связки на главную базисную плоскость левого снимка;

- угол между проекцией главного луча правой связки на главную базисную плоскость левого снимка и главным лучом;

- угол на правом снимке между осью y₂ и следом плоскости .

Вторая система элементов. За начало пространственной фотограмметрической системы координат принимается центр проекции левого снимка S₁. Координатные оси этой системы направлены параллельно соответствующим координатным осям x₁, y₁ левого снимка (рис. 22), а ось совпадает с главным лучом левой связки. Система координат параллельна системе координат .

Элементами взаимного ориентирования являются:

- угол между осью и проекцией базиса на плоскость (или элемент ориентирования B_y);

- угол наклона базиса S₁S₂ относительно плоскости (или B_Z);

- взаимный продольный угол наклона снимков, составленный осью с проекцией главного луча правой связки на плоскость ;

- взаимный поперечный угол наклона снимков, заключённый между плоскостью и главным лучом правой связки;

- взаимный угол поворота снимков, угол на правом снимке между осью y₂ и следом плоскости

Элементы ориентирования снимка – величины, определяющие его положение в момент фотографирования относительно выбранной пространственной прямоугольной системе координат.

Различают эл-ты:

1. Внутреннего ориентирования (ЭВнО). Позволяют найти положение центра проекции относительно снимка или восстановить связку проектирующих лучей (все лучи, которые проектируют изображение точек местности на снимок), существовавшие в момент фотографирования.

a) Координаты главной точки – пересечение плоскости снимка и оптической оси камеры (х₀;y₀)

b) F - фокусное расстояние камеры

2. Внешнего ориентирования (ЭВН). Позволяют установить положение связки проектирующих лучей или снимка, кот. она занимала в момент фотографирования относительно заданной пространственной прямоугольной фотограмметрической системе координат.

Существуют 2 системы ЭВН:

К элементам относят:

a) Координаты Xs;Ys;Zs – координаты точки фотографирования S в пространственной фотограмметрической системе координат

b) Углы поворота α, ω, κ (альфа, омега и каппа) системы координат снимка (XYZ) относительно фотограмметрической системы координат (X’Y’Z’),

где α – продольный угол наклона, образованный осью Z’ и проекцией главного луча SO на плоскость X’Z’ (главную базисную пл-ть, проходящую через ось SX’, т.е. плоскость листа тетради)

ω – поперечный угол наклона снимка, заключенный между главным лучом SO и его проекцией на пл-ть X’Z’

κ – угол поворота снимка, образованный осью Y снимка и следом плоскости, проходящей через луч SO и ось SY’.

2) Вторая. В учебнике только описана одна система ЭВН, но есть 2 способа их нахождения:

- определение элементов внеш. ориентирования в полете спец. приборами (GPS приемник для координат центра проекции, инерциальные системы навигации для углов)

Внутреннее ориентирование определяет внутреннюю геометрию камеры или сенсора на момент съемки. Процесс внутреннего ориентирования заключается в нахождении элементов, определяющих положение снимка. Внутреннее ориентирование главным образом используется для преобразования файловой или других систем координат снимка в систему пространственных координат снимка.

Рисунок 4 показывает элементы, определяющие положение снимка внутри камеры,

Рисунок 4 – Элементы внутреннего ориентирования

где – центр снимка (начало системы координат);

– главная точка снимка (основание перпендикуляра);

– точка на изображении;

1, 2, 3, 4 – координатные метки снимка;

– система координат снимка;

– фокусное расстояние ( ) камеры (сенсора);

Несовпадение точек и при сборке и юстировке камеры дает координаты . Величины – называются элементами внутреннего ориентирования снимка, которые определяют положение точки – центра проекции (объектив) относительно – плоскости снимка. Величины определяют лабораторным путем с высокой точностью при калибровки прибора (камеры) и записывают в паспорт камеры. Также в паспорт камеры записывают величину дисторсии , равную порядка от 5,0…10 мкм.

Таким образом, внутренняя геометрия камеры определяется следующими элементами:

Главная точка и фокусное расстояние. Главная точка математически определяется как пересечение перпендикуляра, проходящего через центр проекции, и плоскости снимка. Расстояние от главной точки до центра проекции называется фокусным расстоянием .

Плоскость снимка обычно определяется как фокальная плоскость. Для широкоформатных аэрофотокамер фокусное расстояние примерно равно 152 мм или 6 дюймам. Для некоторых цифровых камер оно составляет 28 мм. Основной задачей при проведении фотограмметрических работ является точное определение или калибровка фокусного расстояния метрической камеры, которое проводится в лабораторных условиях.

Основой триангуляции является математическое определение параметров, но найти действительное положение главной точки трудно. Главная точка находится в месте пересечения оптических осей на плоскости снимка. В лабораторных условиях она калибруется в двух формах: главная точка автоколлимации и главная точка симметрии, что можно определить по паспорту камеры. В большинстве решений используется главная точка симметрии, так как с ее помощью можно добиться наилучшей компенсации дисторсии объектива.

Координатные метки. Как указано выше, один из этапов внутреннего ориентирования включает в себя определение положения главной точки для каждого снимка в проекте. Таким образом, на снимке измеряются положения координатных меток, которые затем сравниваются с калибровочными координатами каждой метки.

Так как для каждого снимка система пространственных координат пока еще не определена, измеренные координатные метки связаны с пиксельной или файловой системой координат. Файловая система координат имеет координаты (столбцы) и (строки). Центр файловой системы координат находится в левом верхнем углу изображения и имеет значения строки и столбца равными 0 и 0, соответственно. Рисунок 5 показывает различие между файловой системой координат и системой пространственных координат.

Рисунок 5 – Файловая система координат

и пространственная система координат снимка

Используя двумерное аффинное[2] преобразование, определяют связи между файловой системой координат и системой пространственных координат снимка. С помощью двумерного аффинного преобразования могут быть определены коэффициенты, требующиеся для перевода файловых координат в координаты снимка:

Здесь и являются координатами калиброванных координатных меток в системе координат снимка, и это файловые координаты измеренных координатных меток, все эти координаты используются для определения шести коэффициентов аффинного преобразования. Полученные коэффициенты могут быть использованы для преобразования каждой строки ( ) и каждого столбца ( ) файловых координат в координаты изображения.

Качество аффинного преобразования определяет среднеквадратическая ошибка (СКО). СКО показывает степень соответствия между калибровочными координатными метками и значениями измеренных координат снимка для этих меток. Большая среднеквадратическая ошибка служит показателем слабого соответствия. Это может быть признаком деформации снимка, низкого качества сканирования, неверной калибровочной информации или неточных измерений.

Аффинное преобразование определяет перенос начала файловой системы координат в начало системы координат снимка ( и ). Также аффинное преобразование определяет угол (рисунок 5). В процессе сканирования аэрофотографии ее изображение обычно повернуто должным образом.

Угол отклонения между осями и определяется как неортогональный. Двумерное аффинное преобразование учитывает степень этой неортогональности. Также, в процессе аффинного преобразования учитывается различие масштабов между осями и .

Элементами ориентирования снимка называются величины, определяющие его положение в момент фотографирования относительно выбранной пространственной прямоугольной системы координат. Различают элементы внутреннего и внешнего ориентирования снимка.

В первую систему ЭВО (рис. 27) входят координаты X_s, Y_s, Z_s точки фотографирования, а также углы поворота снимка α, ω и κ

Продольный угол наклона снимка α образуется осью Z΄ и проекцией главного луча Sо на плоскость X΄ Z΄.

Поперечный угол наклона снимка ω заключён между главным лучом Sо и его проекцией на плоскость X΄ Z΄.

На рис. 27 углы κ и ω положительные, угол α - отрицательный.

Вторая система (рис.28) ЭВО содержит:

координаты X_s, Y_s, Z_s точки фотографирования;

ε - угол наклона снимка, находится в плоскости главного вертикала между главным и надирным лучами;

κ – угол поворота в плоскости снимка, образуется главной вертикалью и осью y плоской системы координат x y.

На рисунке изображены положительные углы.

Различают абсолютные и относительные ЭВО снимка. Абсолютные элементы определяют положение связки в геодезической системе координат.

Таким образом, положение одиночного снимка определяется девятью элементами ориентирования, из них три - элементы внутреннего ориентирования и шесть - элементы внешнего ориентирования.

3.3. Зависимость между пространственными и плоскими координатами точки снимка.

При изучении теории фотограмметрии и решении практических задач используются зависимости между плоскими координатами x, y точек снимка и их пространственными координатами X', Y', Z'. Эти зависимости можно установить, если известны элементы внутреннего и угловые элементы внешнего ориентирования снимка.

Введём для этого систему координат S x y z с началом в точке фотографирования S (рис. 29). Координатные оси x, y этой системы расположим параллельно соответствующим осям на снимке, а ось z совместим с главным лучом связки So. Тогда координаты x, y любой точки снимка в пространственной системе имеют те же значения, что и в плоской, а координата z для всех точек постоянна и равна фокусному расстоянию снимка (z = -f).

Системы S X' Y' Z' и S x y z имеют общее начало, поэтому в процессе преобразования координат из одной сиситемы в другую следует выполнять только вращение, что выражается, например, формулой: (14)

Ортогональная матрица А имеет третий порядок и называется матрицей преобразования координат. Имеет 9 направляющих косинуса: (15)

Причем, каждый из направляющих косинусов это косинус угла между соответствующими осями систем координат участвующих в преобразовании, то есть: (16)

В силу ортогональности направляющие косинусы матрицы связаны между собой шестью независимыми уравнениями: (17)

Один поворот в пространстве можно заменить тремя последовательными поворотами в плоскости (вокруг осей Z, X и Y, рис.30). Им будут соответствовать матрицы , А_ω,и А_α_..:

Общая матрица преобразования A равна произведению: А = А_α А_ω

В первую систему ЭВО (рис. 27) входят координаты X_s, Y_s, Z_s точки фотографирования, а также углы поворота снимка α, ω и κ

Продольный угол наклона снимка α образуется осью Z΄ и проекцией главного луча Sо на плоскость X΄ Z΄.

Поперечный угол наклона снимка ω заключён между главным лучом Sо и его проекцией на плоскость X΄ Z΄.

На рис. 27 углы κ и ω положительные, угол α - отрицательный.

Вторая система (рис.28) ЭВО содержит:

- координаты X_s, Y_s, Z_s точки фотографирования;

- t – дирекционный угол оптической оси фотокамеры – он образуется следом плоскости главного вертикала W и положительным направлением оси X΄;

- ε - угол наклона снимка, находится в плоскости главного вертикала между главным и надирным лучами;

- κ – угол поворота в плоскости снимка, образуется главной вертикалью и осью y плоской системы координат x y.

На рисунке изображены положительные углы.

Читайте также: